Наноэлектроника относится к использованию нанотехнологий в электронных компонентах. Этот термин охватывает разнообразный набор устройств и материалов с общей характеристикой: они настолько малы, что необходимо тщательно изучать межатомные взаимодействия и квантово-механические свойства. Некоторые из этих кандидатов включают: гибридную молекулярную/ полупроводниковую электронику, одномерные нанотрубки / нанопроволоки (например, кремниевые нанопроволоки или углеродные нанотрубки ) или передовую молекулярную электронику .
Наноэлектронные устройства имеют критические размеры в диапазоне от 1 до 100 нм. [1] Последние поколения кремниевых МОП-транзисторов (металл-оксид-полупроводниковый полевой транзистор или МОП-транзистор) уже находятся в этом режиме, включая 22-нанометровые узлы КМОП (дополнительные МОП-транзисторы) и последующие 14-нм , 10-нм и 7-нм FinFET ( ребристый полевой транзистор) поколений. Наноэлектронику иногда называют прорывной технологией , поскольку нынешние кандидаты существенно отличаются от традиционных транзисторов .
В 1965 году Гордон Мур заметил, что кремниевые транзисторы подвергаются непрерывному процессу уменьшения масштаба, и это наблюдение позже было систематизировано как закон Мура . С момента его наблюдения минимальные размеры элементов транзистора уменьшились с 10 микрометров до 10 нм по состоянию на 2019 год. Обратите внимание, что технологический узел напрямую не представляет минимальный размер элемента. Область наноэлектроники стремится обеспечить дальнейшую реализацию этого закона за счет использования новых методов и материалов для создания электронных устройств с размерами элементов наномасштаба .
Объем объекта уменьшается в третьей степени его линейных размеров, но площадь поверхности уменьшается только во второй степени. Этот несколько тонкий и неизбежный принцип имеет серьезные последствия. Например, мощность дрели (или любой другой машины ) пропорциональна объему, а трение подшипников и шестерен дрели пропорционально площади их поверхности. Для дрели нормального размера мощности устройства достаточно, чтобы легко преодолевать любое трение. Однако уменьшение его длины, например, в 1000 раз уменьшает его мощность на 1000 3 (в миллиард раз), одновременно уменьшая трение всего на 1000 2 (всего в миллион раз). Пропорционально оно имеет в 1000 раз меньшую мощность на единицу трения, чем оригинальное сверло. Если исходное соотношение трения к мощности составляло, скажем, 1%, это означает, что у меньшего сверла трение будет в 10 раз больше, чем у мощности; дрель бесполезна.
По этой причине, хотя сверхминиатюрные электронные интегральные схемы полностью функциональны, ту же технологию нельзя использовать для создания работающих механических устройств за пределами масштабов, где силы трения начинают превышать доступную мощность. Таким образом, даже несмотря на то, что вы можете увидеть микрофотографии изящно выгравированных кремниевых шестеренок, такие устройства в настоящее время представляют собой не более чем диковинку с ограниченным реальным применением, например, в движущихся зеркалах и ставнях. [2] Поверхностное натяжение увеличивается примерно таким же образом, тем самым усиливая склонность очень маленьких объектов слипаться друг с другом. Это может сделать любую «микрофабрику» непрактичной: даже если роботизированные руки и руки можно будет уменьшить, все, что они поднимут, будет невозможно опустить. Как было сказано выше, молекулярная эволюция привела к тому, что реснички , жгутики , мышечные волокна и вращательные двигатели работают в водной среде, и все это на наноуровне. Эти машины используют увеличенные силы трения, обнаруженные на микро- или наноуровне. В отличие от лопасти или пропеллера, движение которых зависит от обычных сил трения (сил трения, перпендикулярных поверхности), реснички развивают движение за счет преувеличенного сопротивления или ламинарных сил (сил трения, параллельных поверхности), присутствующих в микро- и наноразмерах. Чтобы построить значимые «машины» на наноуровне, необходимо учитывать соответствующие силы. Мы имеем дело с разработкой и проектированием внутренне соответствующих машин, а не с простым воспроизведением макроскопических машин.
Поэтому все проблемы масштабирования должны быть тщательно оценены при оценке нанотехнологий для практического применения.
Например, электронные транзисторы, в которых работа транзистора основана на одном электроне. Наноэлектромеханические системы также подпадают под эту категорию. Нанопроизводство можно использовать для создания сверхплотных параллельных массивов нанопроволок в качестве альтернативы индивидуальному синтезу нанопроволок . [3] [4] Особое место в этой области занимают кремниевые нанопроволоки , которые все чаще изучаются для различных применений в наноэлектронике, преобразовании и хранении энергии. Такие SiNW могут быть изготовлены путем термического окисления в больших количествах для получения нанопроволок контролируемой толщины.
Помимо небольшого размера и возможности размещения большего количества транзисторов в одном чипе, однородная и симметричная структура нанопроводов и/или нанотрубок обеспечивает более высокую подвижность электронов (более быстрое движение электронов в материале), более высокую диэлектрическую проницаемость (более высокую частоту) и симметричная электронно - дырочная характеристика. [5]
Также наночастицы можно использовать в качестве квантовых точек .
Одномолекулярные электронные устройства широко исследуются. В этих схемах будет широко использоваться молекулярная самосборка , разрабатывая компоненты устройства для самостоятельного создания более крупной структуры или даже полной системы. Это может быть очень полезно для реконфигурируемых вычислений и даже может полностью заменить нынешнюю технологию FPGA .
Молекулярная электроника [6] — это разрабатываемая технология, дающая надежду на создание будущих электронных систем атомного масштаба. Многообещающее применение молекулярной электроники было предложено исследователем IBM Ари Авирамом и химиком-теоретиком Марком Ратнером в их статьях 1974 и 1988 годов « Молекулы для памяти, логики и усиления» (см. Унимолекулярный выпрямитель ). [7] [8]
Многие нанопроволочные структуры изучались как кандидаты для соединения наноэлектронных устройств: нанотрубки из углерода и других материалов, цепочки атомов металлов , кумуленовые или полииновые цепочки атомов углерода [9] и многие полимеры, такие как политиофены .
Наноионика изучает транспорт ионов, а не электронов в наноразмерных системах.
Нанофотоника изучает поведение света на наноуровне и ставит своей целью разработку устройств, использующих это поведение.
Современные высокотехнологичные производственные процессы основаны на традиционных стратегиях сверху вниз, в которых нанотехнологии уже незаметно внедряются. Критическая длина интегральных схем уже находится на наноуровне (50 нм и ниже), что касается длины затвора транзисторов в процессорах или устройствах DRAM .
Наноэлектроника обещает сделать компьютерные процессоры более мощными, чем это возможно при использовании традиционных технологий производства полупроводников . В настоящее время исследуется ряд подходов, включая новые формы нанолитографии , а также использование наноматериалов , таких как нанопроволоки или небольшие молекулы, вместо традиционных компонентов КМОП . Полевые транзисторы изготавливаются как с использованием полупроводниковых углеродных нанотрубок [10] , так и с использованием гетероструктурированных полупроводниковых нанопроволок (SiNW). [11]
В прошлом конструкции электронной памяти в основном основывались на транзисторах. Однако исследования электроники на основе перекрестных переключателей предложили альтернативу с использованием реконфигурируемых соединений между вертикальными и горизонтальными проводными массивами для создания памяти сверхвысокой плотности. Двумя лидерами в этой области являются Nantero , которая разработала перекрестную память на основе углеродных нанотрубок под названием Nano-RAM, и Hewlett-Packard , которая предложила использовать мемристорный материал в качестве будущей замены флэш-памяти. [ нужна цитата ]
Примером таких новых устройств является спинтроника . Зависимость сопротивления материала (обусловленного спином электронов) от внешнего поля называется магнитосопротивлением . Этот эффект может быть значительно усилен (GMR – Giant Magneto-Resistance) для наноразмерных объектов, например, когда два ферромагнитных слоя разделены немагнитным слоем толщиной в несколько нанометров (например, Co-Cu-Co). Эффект GMR привел к значительному увеличению плотности хранения данных на жестких дисках и сделал возможным диапазон гигабайт. Так называемое туннельное магнитосопротивление (ТМР) очень похоже на ГМР и основано на спин-зависимом туннелировании электронов через соседние ферромагнитные слои. Эффекты GMR и TMR можно использовать для создания энергонезависимой основной памяти для компьютеров, такой как так называемая магнитная оперативная память или MRAM . [ нужна цитата ]
В современной коммуникационной технологии традиционные аналоговые электрические устройства все чаще заменяются оптическими или оптоэлектронными устройствами из-за их огромной полосы пропускания и емкости соответственно. Двумя многообещающими примерами являются фотонные кристаллы и квантовые точки . [ нужна цитация ] Фотонные кристаллы — это материалы с периодическим изменением показателя преломления с постоянной решетки, равной половине длины волны используемого света. Они предлагают выбираемую ширину запрещенной зоны для распространения определенной длины волны, поэтому они напоминают полупроводник, но для света или фотонов вместо электронов . Квантовые точки — это наноразмерные объекты, которые, среди прочего, можно использовать для создания лазеров. Преимущество лазера на квантовых точках перед традиционным полупроводниковым лазером заключается в том, что длина волны их излучения зависит от диаметра точки. Лазеры на квантовых точках дешевле и обеспечивают более высокое качество луча, чем обычные лазерные диоды.
Производство дисплеев с низким энергопотреблением может быть осуществлено с использованием углеродных нанотрубок (УНТ) и/или кремниевых нанопроволок . Такие наноструктуры электропроводны и благодаря небольшому диаметру в несколько нанометров могут использоваться в качестве полевых эмиттеров с чрезвычайно высокой эффективностью для автоэмиссионных дисплеев (FED). Принцип работы напоминает принцип работы электронно-лучевой трубки , но в гораздо меньшем масштабе длины. [ нужна цитата ]
Совершенно новые подходы к вычислениям используют законы квантовой механики для новых квантовых компьютеров, которые позволяют использовать быстрые квантовые алгоритмы. Квантовый компьютер имеет пространство памяти квантовых битов, называемое «Кубит», для нескольких вычислений одновременно. В наноэлектронных устройствах кубит кодируется квантовым состоянием спина одного или нескольких электронов. Спин ограничивается либо полупроводниковой квантовой точкой, либо легирующей примесью. [12]
Были разработаны нанорадиоприемники , структурированные на основе углеродных нанотрубок . [13]
Продолжаются исследования по использованию нанопроводов и других наноструктурированных материалов с надеждой создать более дешевые и более эффективные солнечные элементы , чем это возможно с обычными планарными кремниевыми солнечными элементами. [14] Считается, что изобретение более эффективной солнечной энергии окажет большое влияние на удовлетворение глобальных энергетических потребностей.
Также проводятся исследования по производству энергии для устройств, которые будут работать in vivo , называемых бионаногенераторами. Бионаногенератор — это наноразмерное электрохимическое устройство, подобное топливному элементу или гальваническому элементу , но черпающее энергию из глюкозы в крови живого организма, во многом так же, как организм генерирует энергию из пищи . Для достижения эффекта используется фермент , способный отнимать у глюкозы электроны , освобождая их для использования в электрических устройствах. Теоретически тело среднестатистического человека может генерировать 100 Вт электроэнергии (около 2000 пищевых калорий в день ) с помощью бионаногенератора. [15] Однако эта оценка верна только в том случае, если вся пища была преобразована в электричество, а человеческому организму постоянно требуется некоторое количество энергии, поэтому возможная вырабатываемая энергия, вероятно, намного ниже. Электричество, генерируемое таким устройством, может питать встроенные в тело устройства (например, кардиостимуляторы ) или нанороботов , питающихся сахаром . Большая часть исследований, проводимых в области бионаногенераторов, по-прежнему носит экспериментальный характер, и в их авангарде находится Лаборатория нанотехнологических исследований Panasonic .
Существует большой интерес к созданию наноэлектронных устройств [16] [17] [18] , которые могли бы определять концентрации биомолекул в реальном времени для использования в качестве медицинской диагностики, [19] таким образом попадая в категорию наномедицины . [20] Параллельное направление исследований направлено на создание наноэлектронных устройств, которые могли бы взаимодействовать с отдельными клетками для использования в фундаментальных биологических исследованиях. [21] Эти устройства называются наносенсорами . Такая миниатюризация наноэлектроники в направлении протеомного зондирования in vivo должна открыть новые подходы к мониторингу здоровья, надзору и оборонным технологиям. [22] [23] [24]
